【C++字符串比较与查找全解】：掌握string类的核心操作

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# 1. C++字符串基础概念

## 简介
C++字符串处理是编程中不可或缺的一环，它涉及到数据的输入、输出、存储及操作。在C++中，字符串通常通过字符数组或者标准库中的string类来实现。本章将概述C++中关于字符串的基础概念，为后续深入学习打下坚实的基础。

## 字符串定义
在C++中，字符串可以定义为字符数组或者使用标准模板库（STL）中的string类。字符数组是早期C风格的字符串处理方式，而string类提供了更为安全、方便的接口。

## 字符串字面量
C++中使用双引号括起来的字符序列被称作字符串字面量，例如 "hello"。在程序中，字符串字面量实际上是存储在程序只读数据段中的字符数组。

const char* str = "Hello, C++!";

本章内容虽然基础，但却是理解后续章节深入字符串处理的关键。下一章，我们将详细探讨C++标准库中的string类，深入理解其构造与析构机制及更多高级特性。

# 2. 深入理解C++ string类

### 2.1 string类的构造与析构

#### 2.1.1 构造函数的使用

在C++中，`std::string` 类提供了多种构造函数以满足不同的字符串初始化需求。了解这些构造函数的用法对于编写高效的字符串操作代码至关重要。

基本的构造函数可以创建一个空字符串，如：

std::string s;

如果你想用特定的字符序列初始化字符串，可以传递一个字符数组（C风格字符串）：

const char* cstr = "Hello, World!";
std::string str(cstr);

也可以用指定长度初始化一个字符串，并用一个字符填充：

std::string fillString(5, 'a'); // 结果为"aaaaa"

C++11起，还可以使用初始化列表进行构造：

std::string chars{'a', 'b', 'c'};

构造函数的参数细节和用法如下表所示：

| 构造函数形式 | 作用 | 备注 |
|--------------|------|------|
| `std::string()` | 创建一个空字符串 | |
| `std::string(const char* s)` | 使用C风格字符串初始化 | |
| `std::string(size_t n, char c)` | 创建长度为`n`，每个字符都是`c`的字符串 | |
| `std::string(const std::string& str)` | 拷贝构造函数 | |
| `std::string(std::string&& str) noexcept` | 移动构造函数（C++11起） | |
| `std::string(const char* s, size_t n)` | 使用前`n`个字符初始化 | 避免空字节影响 |

理解这些构造函数的用法，有助于开发者更好地管理内存，避免不必要的复制操作，提高程序的性能。

#### 2.1.2 string对象的生命周期管理

当一个`std::string`对象创建时，会分配内存来存储字符串内容。了解`string`对象的生命周期管理对于避免内存泄漏和优化性能至关重要。

对象生命周期开始于构造函数调用，结束于析构函数执行。析构函数会在`string`对象销毁时自动调用。`std::string`使用引用计数技术优化内存使用，减少拷贝，特别是拷贝构造函数和赋值操作。

拷贝构造函数会创建一个新的字符串副本，增加引用计数。当一个字符串副本不再被使用时，它的析构函数会递减引用计数，如果引用计数降到0，那么相关内存会被释放。

std::string original("original");
std::string copy1(original); // 增加引用计数
std::string copy2 = original; // 同样增加引用计数
// copy1 和 copy2 被销毁时，内存释放，original引用计数减少

移动构造函数（C++11起）允许`std::string`对象在必要时转移资源而不是拷贝，从而提供更高效的资源管理。

std::string source("source");
std::string dest(std::move(source)); // source状态变为有效但不确定
// dest 使用 source 的内存资源，source 原有内存被释放

### 2.2 string类的赋值与拷贝

#### 2.2.1 赋值操作符重载的机制

`std::string` 类重载了赋值操作符来支持不同的赋值方式。赋值操作符用于将一个字符串的值分配给另一个字符串。

最常用的赋值操作是将一个字符串的内容复制到另一个字符串中：

std::string str1("string1");
std::string str2;
str2 = str1; // str2 现在包含 str1 的内容

赋值操作符同样支持直接使用C风格字符串或者字符数组：

const char* cstr = "hello";
std::string str;
str = cstr; // str 现在是 "hello"

使用赋值操作符时需要注意，当目标字符串已经存储有内容时，原有内容会先被销毁，之后才会执行新内容的拷贝。这一过程涉及到字符串内存的重新分配和拷贝操作，可能导致效率问题。

std::string str("initial content");
str = "new content"; // "initial content" 被销毁，分配新内存并赋值 "new content"

#### 2.2.2 拷贝构造函数的应用

拷贝构造函数用于创建一个新对象作为现有对象的副本。在`std::string`中，拷贝构造函数用于创建一个新的字符串对象，其中包含与另一个字符串相同的值。

当一个字符串被传递给需要字符串副本的函数时，拷贝构造函数将被隐式调用：

void processString(const std::string& str) {
    // 处理字符串 str
}

std::string original("example");
processString(original); // 拷贝构造函数被调用

拷贝构造函数调用时复制了`original`的值到函数参数`str`中。拷贝构造函数创建了一个新的对象，该对象是`original`的完整拷贝。

拷贝构造函数的内部实现通常涉及到引用计数技术。引用计数会记录有多少个字符串对象共享相同的字符数据。当一个字符串对象被销毁时，只有当引用计数降至零时，内存才会被释放。这避免了不必要的数据复制，提高了效率。

### 2.3 string类的内存管理

#### 2.3.1 SSO机制与动态扩展

`std::string` 的内存管理机制对于其性能有着至关重要的影响。最核心的内存管理策略包括短字符串优化（Short String Optimization，SSO）和字符串内容的动态扩展。

短字符串优化机制允许短字符串在栈上直接存储，避免动态内存分配的开销。`std::string` 类通常会预留一些空间，用于存储短字符串，例如长度小于或等于15个字符的字符串。

当字符串内容超出SSO空间限制时，就会进行动态内存分配。标准库实现通常使用`std::allocator`类来管理内存分配和释放，该类负责调用底层的`operator new`和`operator delete`。

std::string s("This is a long string"); // 动态内存分配

动态内存扩展时，为了减少内存重新分配的次数，`std::string` 会按一定比例增加新分配的内存空间。常见的扩展策略是每次扩展时，新分配的内存大小是当前字符串长度的1.5到2倍。

#### 2.3.2 如何避免内存泄漏

内存泄漏是指程序中分配的内存没有得到及时释放，长期累积可能导致内存资源耗尽。`std::string` 类的设计目标之一是自动管理内存，减少内存泄漏的风险。

当`std::string`对象超出作用域时，其析构函数会被调用，自动释放其管理的内存资源。因此，通过正常的作用域和对象生命周期管理，`s